微網用dwig交直流發電系統及寬風速范圍內并網發電方法
【專利摘要】本發明公開了微網用DWIG交直流發電系統及寬風速范圍內并網發電方法，屬于交直流混合微網的【技術領域】。DWIG交直流發電系統包括：定子雙繞組異步電機、濾波電感、功率變換器、第一斷路器、第二斷路器、第三斷路器、第一交流電流傳感器、直流電流傳感器、第二交流電流傳感器、第一直流電壓傳感器、第二直流電壓傳感器、第一交流電壓傳感器、第二交流電壓傳感器、第三交流電壓傳感器、風速傳感器、數字信號處理器、驅動電路。控制方法在不同風速區采用不同控制策略，一臺電機就實現了交直流同時發電、交直流并網，在必要的時候利用DWIG兩套定子繞組磁場耦合特性實現交直流電網能量雙向流動。
【專利說明】微網用DWIG交直流發電系統及寬風速范圍內并網發電方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了微網用DWIG(Dual Stator-ffinding Induct1n Generator,定子雙繞組異步發電機)交直流發電系統及寬風速范圍內并網發電方法，尤其是用于微網交直流混合發電的定子雙繞組異步電機發電系統及寬風速范圍內并網發電的方法，屬于交直流混合微網的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]當前能源的短缺和傳統能源帶來的環境問題促進了清潔能源的大規模接入與利用，提高能源利用效率，實施智能電網重大科技產業化工程，對于調整我國能源結構、節能減排、應對氣候變化具有重大意義。綜合世界各地區建設智能電網的進程來看，智能電網的關注熱點包含有微網，微網是利用大規模清潔能源的接入。當前可再生能源的種類有很多例如風能、潮汐能、水能等。由于清潔能源的不穩定性，需要多種能源綜合利用，并配備能量型儲能和功率型儲能裝置以實現互補優化的目的。在構建微網中，目前大部分的發電系統輸出電能方式只有單一的交流電或者直流電。那么如何采用簡單的方式實現寬速范圍最大效率的發電是需要考慮的問題。交直流混合微網中，往往需要一個交流電機、一個直流電機構成相互獨立的交流發電系統和直流發電系統，當交流電網與直流電網之間需要能量雙向流動時，交流電網與直流電網之間需要一個雙向整流逆變裝置，存在需要額外的整流逆變裝置的缺陷，這增加系統的構建成本和運行維護成本同時也降低了系統的可靠性。
[0003]定子雙繞組異步發電機(DWIG)是二i^一世紀初由美國田納西理工大學Ojo教授提出的一種新型籠型異步電機，該電機的轉子仍為籠型結構，繼承了傳統籠型異步電機的固有優點，其定子上有兩套繞組，一套為控制繞組，接有功率變換器；另一套為功率繞組，向負載供電，兩套定子繞組具有相同的極對數，共享同一氣隙磁場，且它們在電氣上沒有直流連接，僅通過磁耦合，功能分開，易實現高性能控制。由于DWIG結構獨特且具有諸多優點，它吸引了國內外研究人員的廣泛關注。Ojo教授對DWIG恒速恒頻交流發電系統的拓撲結構及控制策略作了許多開創性研究。國內海軍工程大學的馬偉明教授以艦船獨立電源系統為應用背景，對恒速運行條件下的DWIG高壓直流發電系統進行了深入研究，主要包括拓撲結構，控制策略，穩定性等。為拓寬DWIG的應用場合，南京航空航天大學的研究人員從2004年開始研究變速運行條件下的DWIG高壓直流發電系統，如圖1所示，并重點對電機設計、系統優化、控制策略等開展了研究工作。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是針對上述【背景技術】的不足，提供了微網用DWIG交直流發電系統及寬風速范圍內并網發電方法，以解決微網中發交流電和直流電需要構建獨立的交流發電系統和直流發電系統、交直流并網發電控制復雜、傳統交直流混合微網并網需要額外整流逆變裝置這些技術問題。
[0005]本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案。
[0006]微網用DWIG交直流發電系統，包括主回路、檢測回路和控制回路，所述主回路包括:定子雙繞組異步電機、濾波電感、功率變換器、第一斷路器、第二斷路器、第三斷路器，檢測回路包括:檢測第一斷路器輸出電流的第一交流電流傳感器、檢測功率變換器直流側輸出電流的直流電流傳感器、檢測定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器、檢測功率變換器直流側輸出電壓的第一直流電壓傳感器、檢測直流電網電壓的第二直流電壓傳感器、檢測定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓的第一交流電壓傳感器、檢測定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器、檢測交流電網電壓的第三交流電壓傳感器、風速傳感器，控制回路包括:數字信號處理器、驅動電路；
定子雙繞組異步電機功率繞組出線經過第一斷路器與交流電網連接，定子雙繞組異步電機控制繞組出線經過第二斷路器與濾波電感一端連接，濾波電感另一端與功率變換器交流側連接，功率變換器直流側經過第三斷路器與直流電網連接，第一交流電壓傳感器接在定子雙繞組異步電機功率繞組出線上，第三交流電壓傳感器接交流電網側，第一交流電流傳感器接在第一斷路器出線上，第二交流電壓傳感器、第二交流電流傳感器均接在第二斷路器出線上，第一直流電壓傳感器、直流電流傳感器均接在功率變換器的直流側，第二直流電壓傳感器接在直流電網側，驅動電路輸入端、第一直流電壓傳感器輸出端、第二直流電壓傳感器輸出端、第一交流電壓傳感器輸出端、第二交流電壓傳感器輸出端、第三交流電壓傳感器輸出端、第一交流電流傳感器輸出端、直流電流傳感器輸出端、第二交流電流傳感器輸出端分別與數字信號處理器連接，驅動電路輸出端接功率變換器中功率器件控制端，各斷路器的控制器分別與數字信號處理器連接；
所述數字信號處理器，在功率變換器直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第三斷路器合閘，在定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器合閘，在系統沒有故障時維持第二斷路器處于合閘狀態，數字信號處理器根據風速、定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓、定子雙繞組異步電機控制繞組輸出電壓以及電流、交流電網電壓、直流電網電壓、第一斷路器輸出電流、功率變換器直流側輸出電壓以及電流得到驅動電路的輸入信號，驅動電路輸出驅動信號給功率變換器，功率變換器在驅動信號作用下輸出交流電或者直流電。
[0007]作為所述微網用DWIG交直流發電系統的進一步優化方案，功率變換器為將直流逆變為交流或者將交流整流為直流的能量雙向流動裝置。
[0008]微網用DWIG交直流發電系統的寬風速范圍內并網發電方法，數字信號處理器根據風速傳感器采集的風速以及各傳感器采集的電信號生成各風速區的控制策略:
低風速區控制策略，數字信號處理器控制第一斷路器分閘，將定子雙繞組異步電機功率繞組與交流電網斷開，通過功率變換器控制定子雙繞組異步電機控制繞組無功功率的同時并輸出有功功率至直流電網，數字信號處理器控制第三斷路器在功率變換器直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入直流電網；
高風速區控制策略，數字信號處理器控制功率變換器交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機，定子雙繞組異步電機功率繞組輸出有功功率至交流電網的同時將部分能量通過控制繞組以及功率變換器轉換為有功功率后輸出至直流電網，數字信號處理器控制第一斷路器在定子雙繞組異步電機功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入交流電網，數字信號處理器控制第三斷路器在功率變換器直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入直流電網。
[0009]作為所述寬風速范圍內并網發電方法的進一步優化方案，高風速區控制策略中，利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理，通過功率變換器調節定子雙繞組異步電機的控制繞組中的有功功率和無功功率以控制交流電網和直流電網之間能量的雙向流動。
[0010]作為所述寬風速范圍內并網發電方法的進一步優化方案，低風速區控制策略中，采用電壓泵升技術控制功率變換器輸出有功功率至直流電網。
[0011]本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果。
[0012]1、將DWIG交直流發電系統應用到微網中，實現了一臺發電機同時發交流電和直流電，改善了微網中發交流電和直流電需要構建獨立的交流發電系統和直流發電系統的缺陷；
2、發電控制方法結合系統中設置的斷路器以及各傳感器采集的電信號生成不同風速區的控制策略，在電機的低轉速區通過切斷DWIG功率繞組與交流電網的連接，控制功率變換器輸出有功功率實現了系統在低轉速區的直流并網發電，在高轉速區控制定子雙繞組異步電機功率繞組輸出有功功率至交流電網的同時將部分能量通過控制繞組以及功率變換器轉換為有功功率后輸出至直流電網實現了系統在高風速區內的交直流并網發電，整個發電方法實現了電機在微網交直流混合場合下的寬轉速范圍內發電；
3、利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理在高風速區實現交直流電網之間的能量流動，改善了傳統交直流混合微網能量雙向流動需要額外整流逆變裝置的缺陷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為現有的DWIG發電系統結構框圖。
[0014]圖2為DWIG交直流發電系統的示意圖。
[0015]圖中標號說明:1、定子雙繞組異步電機，2、濾波電感，3、功率變換器，4、第一交流電流傳感器，5、直流電流傳感器，6、第二交流電流傳感器，7、第一直流電壓傳感器，8、第二直流電壓傳感器，9、第一交流電壓傳感器，10、第二交流電壓傳感器，11、第三交流電壓傳感器，12、數字信號處理器，13、驅動電路，14、第一斷路器，15、第二斷路器，16、第三斷路器，17、直流電網，18、交流電網，20、風速傳感器。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明。
[0017]本發明涉及的用于微網混合發電的DWIG交直流發電系統如圖2所示，包括主回路、檢測回路和控制回路。主回路包括:定子雙繞組異步電機1、濾波電感2、功率變換器3、第一斷路器14、第二斷路器15、第三斷路器16。檢測回路包括:檢測第一斷路器14輸出電流的第一交流電流傳感器4、檢測功率變換器3直流側輸出電流的直流電流傳感器5、檢測定子雙繞組異步電機1控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器6、檢測功率變換器3直流側輸出電壓的第一直流電壓傳感器7、檢測直流電網17電壓的第二直流電壓傳感器8、檢測定子雙繞組異步電機I功率繞組輸出電壓的第一交流電壓傳感器9、檢測定子雙繞組異步電機I控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器10、檢測交流電網18電壓的第三交流電壓傳感器11、風速傳感器20。控制回路包括:數字信號處理器12、驅動電路13。功率變換器3為將交流電整流為直流電或者將直流電逆變為交流電的能量雙向流動裝置。
[0018]采用圖2所示DWIG交直流發電系統實現寬風速范圍內并網發電。利用DWIG功率繞組發出三相交流電，通過控制繞組以及功率變換器的整流輸出直流電，實現一臺電機的發電系統同時發出交流電和直流電。交直流并網是利用設置在交直流電網端口的斷路器，在功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時實現交流并網，而在功率變換器直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時實現直流并網。
[0019]數字信號處理器12根據風速傳感器20測得的數據生成不同風速區的控制策略，具體有低風速區控制策略和高風速區控制策略。
[0020]低風速區控制策略，發電機的轉速較低，輸出功率較小，由于電網頻率是基本恒定的，數字信號處理器12控制第一斷路器14分閘，將定子雙繞組異步電機I功率繞組與交流電網18斷開，利用控制繞組側功率變換器3的電壓泵升技術使控制繞組輸出有功功率至直流電網17，數字信號處理器12控制第三斷路器16在功率變換器3直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入直流電網，而功率繞組由于第一斷路器14開閘使功率繞組不輸出電能，發電機發出的電能由控制繞組經控制功率變換器3輸出，這樣可以在低速進行直流發電。
[0021]高風速區控制策略，電機的轉速較高，由于電網頻率是基本恒定，數字信號處理器12控制功率變換器3交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機1，定子雙繞組異步電機I功率繞組輸出有功功率至交流電網的同時將部分能量通過控制繞組以及功率變換器3轉換為有功功率后輸出至直流電網17，數字信號處理器12控制第一斷路器14在定子雙繞組異步電機I功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入交流電網18，數字信號處理器12控制第三斷路器16在功率變換器3直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入直流電網17。當交直流電網之間需要交換能量時，利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理，即可控制交流電網和直流電網之間能量的雙向流動。
【權利要求】
1.微網用DWIG交直流發電系統，包括主回路、檢測回路和控制回路，其特征在于，所述主回路包括:定子雙繞組異步電機(I)、濾波電感(2)、功率變換器(3)、第一斷路器(14)、第二斷路器(15)、第三斷路器(16)，檢測回路包括:檢測第一斷路器(14)輸出電流的第一交流電流傳感器(4)、檢測功率變換器(3)直流側輸出電流的直流電流傳感器(5)、檢測定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電流的第二交流電流傳感器(6)、檢測功率變換器(3)直流側輸出電壓的第一直流電壓傳感器(7)、檢測直流電網電壓的第二直流電壓傳感器(8)、檢測定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓的第一交流電壓傳感器(9)、檢測定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電壓的第二交流電壓傳感器(10)、檢測交流電網電壓的第三交流電壓傳感器(11)、風速傳感器(20)，控制回路包括:數字信號處理器(12)、驅動電路(13)； 定子雙繞組異步電機(I)功率繞組出線經過第一斷路器(14)與交流電網連接，定子雙繞組異步電機(I)控制繞組出線經過第二斷路器(15)與濾波電感(2) —端連接，濾波電感(2)另一端與功率變換器(3)交流側連接，功率變換器(3)直流側經過第三斷路器(16)與直流電網連接，第一交流電壓傳感器(9)接在定子雙繞組異步電機(I)功率繞組出線上，第三交流電壓傳感器(11)接交流電網側，第一交流電流傳感器(4)接在第一斷路器(14)出線上，第二交流電壓傳感器(10)、第二交流電流傳感器(6)均接在第二斷路器(15)出線上，第一直流電壓傳感器(7)、直流電流傳感器(5)均接在功率變換器(3)的直流側，第二直流電壓傳感器(8)接在直流電網側，驅動電路(13)輸入端、第一直流電壓傳感器(7)輸出端、第二直流電壓傳感器(8)輸出端、第一交流電壓傳感器(9)輸出端、第二交流電壓傳感器(10)輸出端、第三交流電壓傳感器(11)輸出端、第一交流電流傳感器(4 )輸出端、直流電流傳感器(5)輸出端、第二交流電流傳感器(6)輸出端分別與數字信號處理器(12)連接，驅動電路(13)輸出端接功率變換器(3)中功率器件控制端，各斷路器的控制器分別與數字信號處理器(12)連接； 所述數字信號處理器(12)，在功率變換器(3)直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時控制第三斷路器(16 )合閘，在定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時控制第一斷路器(14)合閘，在系統沒有故障時維持第二斷路器(15)處于合閘狀態，數字信號處理器(12)根據風速、定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓、定子雙繞組異步電機(I)控制繞組輸出電壓以及電流、交流電網電壓、直流電網電壓、第一斷路器(14)輸出電流、功率變換器(3)直流側輸出電壓以及電流得到驅動電路(13)的輸入信號，驅動電路(13)輸出驅動信號給功率變換器(3)，功率變換器(3)在驅動信號作用下輸出交流電或者直流電。
2.根據權利要求1所述微網用DWIG交直流發電系統，其特征在于所述功率變換器(3)為將直流逆變為交流或者將交流整流為直流的能量雙向流動裝置。
3.權利要求1所述微網用DWIG交直流發電系統的寬風速范圍內并網發電方法，其特征在于，數字信號處理器(12)根據風速傳感器采集的風速以及各傳感器采集的電信號生成各風速區的控制策略: 低風速區控制策略，數字信號處理器(12)控制第一斷路器(14)分閘，將定子雙繞組異步電機(I)功率繞組與交流電網斷開，通過功率變換器(3)控制定子雙繞組異步電機(I)控制繞組無功功率的同時并輸出有功功率至直流電網，數字信號處理器(12)控制第三斷路器(16)在功率變換器(3)直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入直流電網； 高風速區控制策略，數字信號處理器(12)控制功率變換器(3)交流側輸出勵磁無功功率給定子雙繞組異步電機(I )，定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出有功功率至交流電網的同時將部分能量通過控制繞組以及功率變換器(3)轉換為有功功率后輸出至直流電網，數字信號處理器(12)控制第一斷路器(14)在定子雙繞組異步電機(I)功率繞組輸出電壓與交流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入交流電網，數字信號處理器(12)控制第三斷路器(16)在功率變換器(3)直流側輸出電壓與直流電網電壓同步時合閘，DWIG交直流發電系統并入直流電網。
4.根據權利要求3所述的寬風速范圍內并網發電方法，其特征在于所述高風速區控制策略中，利用定子雙繞組異步電機兩套繞組之間的磁場耦合原理，通過功率變換器(3 )調節定子雙繞組異步電機(I)的控制繞組中的有功功率和無功功率以控制交流電網和直流電網之間能量的雙向流動。
5.根據權利要求4所述的寬風速范圍內并網發電方法，其特征在于所述低風速區控制策略中，采用電壓泵升技術控制功率變換器(3)輸出有功功率至直流電網。
【文檔編號】H02J3/02GK104377700SQ201410642873
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】卜飛飛, 許海軍, 黃文新, 劉皓喆, 趙勇, 朱琳 申請人:南京航空航天大學